JP6174656B2 - 対象体の立体実時間光音響撮像用の手持ち式装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は，本願の独立請求項による対象体の光音響撮像用の手持ち式装置及び方法に関する。

光音響撮像は光音響効果に基づいている。光音響効果によれば，対象体，例えば生体組織が電磁放射を吸収すると超音波が発生し，その後，対象体の熱弾性膨張が生じる。

米国特許第6,102,857号は，標本に対して回転する球面上のらせん状パターンに沿って配置された複数の音響センサによって光音響信号が取得される，断層撮像システムを開示している。代替実施例においては，等間隔の音響トランスジューサの回転可能又は平行移動可能な平面配置が提供されている。画像を取得する際に標本に対するトランスジューサ配置の回転又は平行移動が必要であること，及びモータのような調和する駆動機構が必要であるため，開示された撮像システムの機構は複雑であり，したがって手持ち式応用には適さない。

米国特許出願公開第2010/0249570 A1号は，互いに間隔を保つトランスジューサ素子がまばらに配置された箱又は棒（ｗａｎｄ）を備えた光音響撮像機器を開示している。トランスジューサ素子の特定の配置のため，画像を取得する際に回転又は平行移動なしに対象体の３次元光音響を収集することは不可能である。

本発明は，対象体の光音響撮像を改善すること，特に，画像を取得する際に装置を回転又は平行移動させる必要なしに，対象体の光音響信号を効率的に収集することを可能にする手持ち式装置及び対応する方法を提供するという課題に基づいている。

この課題は本願の独立請求項による手持ち式装置及び方法によって解決される。

本発明による対象体の光音響撮像用の手持ち式装置は，電磁放射，特に光の放射によって対象体を照射する照射ユニットと，電磁放射によって照射されたとき，対象体内で発生する音響波，特に超音波を検出する検出ユニットとを備え，検出ユニットが第１面に沿って配置された複数の検出器素子の二次元配列を有することを特徴とする。

本発明による対象体の光音響撮像の方法は，電磁放射，特に光放射によって対象体を照射するステップと，電磁放射による照射時に対象体内で発生する音響波，特に超音波を検出するステップと，を有し，音響波が第１面に沿って配置された複数の検出器素子の二次元配列によって検出されることを特徴とする。

本発明で意味するところの「手持ち式装置」の用語は，当該装置を検査下の対象体の上に配置，及び／又は検査下の対象体に対して手で移動，特に当該装置を対象体の上に配置又は対象体の外面，例えば患者の皮膚に沿って移動するために，指及び／又は手でつかむことによって捉え，保持できるようにした，任意の光音響撮像装置に関係する。「手持ち式装置」の用語はまた，部品，特に照射ユニット及び／又は検出ユニットを備えた手持ち式プローブだけを，同じ目的のために指及び／又は手でつかむことによって捉え，保持できるようにした光音響撮像装置にも関係する。本発明で意味するところの手持ち式装置又は対応する手持ち式プローブのサイズは，幅，及び／又は奥行き，及び／又は高さが１５ｃｍ未満であることが好ましい。「手持ち式装置」の用語はさらに，手持ち式装置又は手持ち式プローブそれぞれの任意の方向で断層光音響画像を取得するように設計された任意の光音響撮像装置に関係する。例えば，対象体の画像を取得するとき，手持ち式装置又はプローブの方向は，中間の任意方向，特に水平方向を含む，垂直上方から垂直下方までの方向に変化させることができる。

本発明の一態様によれば，手持ち式光音響撮像プローブが提供され，当該プローブには，好ましくは球面上に超音波検知器の二次元配列が配置される。このようにして，個々の検出器素子は，好ましくは球の中心にある注目領域において発生した音響波に対応する正確な信号を最も効率的に収集することができる。先行技術のシステム及び方法と異なり，対象体から出る音響波を確実に取得するために，撮像プローブ及び対象体相互の移動，特に回転は必要でない。人体の大きな部分の撮像のような多くの撮像シナリオでは，すべての方向から撮像される部分への完全に断層的な接近（tomographic access）が不可能であるため，本発明による手持ち式装置は，発生した音響波が，対象体，特に生きている被験者の内部にある撮像範囲の周りの可能な限り広い撮像範囲角度，すなわち投影像から収集される点で，特に有利である。

本発明の別の態様によれば，電磁放射の１又は複数のパルス，特に照明パルスで対象体を照射する照射ユニットと，検出ユニットの二次元配置された検出器素子とが同時に，電磁放射の各パルスの後で複数の位置及び／又は対象体の周囲の方向から発せられる音響波を検出するように，照射ユニット及び検出器ユニットを制御する制御ユニットが提供される。制御ユニットは音響波に基づいて対象体の三次元画像を形成するように設計され，音響波は単パルスの後，複数の検出器素子で検出されることが望ましい。このように，対象体を一連の電磁放射パルスで照射することによって，対象体の対応する一連の三次元画像が形成される。代替として，又は追加として，制御ユニットは，電磁放射の数個，特に１０個までのパルスで検出された音響波に基づいて，対象体の三次元画像を形成するように設計される。例えば，３次元画像は音響波に基づいて形成され，音響波は２個，３個又は４個のパルスそれぞれについて検出器素子によって検出される。本発明による第１面に沿った検出器素子の特定の設計及び／又は配置によって，単パルス又はたった数個のパルスを対象体に照射するだけで，対象体の高解像度３次元画像を得ることができる。ここでいう「高解像度」の用語は，100,000と1,000,000との間の範囲にある対象体の撮像領域の実効ボクセル（voxel）数に関係する。この比較的高い実効（解像度制限の）ボクセル数は，撮像される対象体の周りの空間に多数の検出素子が密に存在し，全方位の（full-view）（良設定（well-posed））逆（断層画像）問題が形成されるときだけ，達成される。本発明のこの態様によれば，例えば単レーザパルスで対象体を照射し，対象体周囲の出来る限り多くの位置及び／又は方向（投影）から光音響応答，すなわち超音波を同時に取得することによって，対象体の高解像度立体（volumetric）光音響画像が得られる。数ｃｍまでのサイズの通常の対象体又は領域から光音響応答を得るために，普通数十μｓのオーダの時間しか掛からないため，単パルス取得法で得られる画像はまた，例えば呼吸又は心拍動による対象体の動きによる影響もほとんど受けず，その結果，空間解像度及び総撮像精度を更に向上させる。

したがって，本発明による三次元実時間撮像を達成することには，複数の特定の利点がある。第一に，血行力学及び神経細胞応答又は分子プローブの生体分布のような動的生体プロセスを，注目する全立体で監視できる。第二に，生きている標本を撮像するとき，画像品質を低下させることのある（例えば，生きている対象体の呼吸又は心拍動による）動き歪（motion artifact）を避けることができる。最後に，実時間実行によって，実験又は診療測定に必要な時間を明らかに減少させることできる。

要約すれば，本発明による手持ち式装置及び方法によって，対象体の実時間三次元撮像が可能になり，対象体内の動的現象の撮像が可能になるだけでなく，複数の動きに関係した，及び限定された視点に関係した画像歪を大いに減少させることができ，したがって，定量的画像取得を容易にする。このように，本発明は対象体の光音響撮像を改善することができる。

本発明の好適な実施例によれば，検出器素子は第１面のほとんどの部分を覆う。検出器素子の数及び／又は寸法は，第１面の全面積の少なくとも７０％，好ましくは少なくとも８５％を覆うように選ぶことが好ましい。第一面が検出器素子で完全に覆われることも好ましい。代替として，又は追加として，検出器素子は互いに隣接するように配置される。すなわち，検出器素子は互いに隣接し，好適には第１面の大部分又は第１面全体を覆う。このようにして注目領域で発生した音響波は非常に効率よく検出され，検出された音響応答が最大化され，実時間実行及び動き関連の歪及び例えば制限された視点の断層撮像幾何学から生じるほかの画像の不正確さの削減又は除去になる。後者は通常，例えば，検出素子の円筒状焦点合わせによって，断層撮像問題を二次元に減じることによって，実時間撮像を容易にしようとする断層撮像光音響システムで生じる。このことは，撮像面（断面）の外にある強力な吸収体による大きな面外（out of plane）歪及び定量化誤差につながる。さらに，走査によって立体撮像を行い，実時間で実行できないとき，検出素子の焦点合わせによって異方性解像度が得られる。

さらに，信号平均化の必要なしで信号対雑音比を改善し，実時間実行を達成するために，検出器素子のサイズが最大化され，及び／又は検出器素子間の空間が最小化されることが好ましい。

検出器素子が特に湾曲した第１面に沿って，同心環上に配置されることが特に好ましい。このようにして，別々の素子の検出感度の効率及び均質性は，角対称性を達成することによって最適化される。

第１面は湾曲した，特に球面形状の二次元面，特に凸面及び／又はキャロット（calotte）であることが好ましい。このようにして，第１面に配置された検出器素子は，対象体の上又は内部の領域からの音響波を効率よく収集し，対象体もまた，湾曲した二次元面の曲率中心の周囲に配置される。例えば，湾曲した二次元面が球面形状であるとき，検出器素子は，球の中心の周囲に配置された対象体の領域からの音響波を最も効率よく収集する。

本発明の更なる実施例によれば，第１面は検出器素子の二次元配列が配置されている平面である。この実施例は，大きな体積の画像を取得するとき特に有利である。何となれば，画像取得処理の際に装置を平行移動させる必要なく，大きな対象体から発せられる光音響信号の特に効率のよい収集を保証するためである。平坦な二次元検出配列もまた，製造が容易である。

本発明のまた別の実施例においては，第１面は凸面であるか，又は凸面を含む。これによって，第１面上に配置された検出配列は，該配列の周囲の広角度から音響波を効率よく収集する。この実施例は，関心領域への断層撮像アクセスが非常に限定的にしかできない，器官又は人体の空洞，例えば食道，血管又は消化管の内部の内視鏡撮像に有利である。

本発明の別の好適な実施例においては，手持ち式装置は，結合媒質（coupling medium），特に水を入れた空洞を有し，空洞は検出器素子が配置されている第１面及び少なくとも一つの第２面によって区切られている。特に第２面は，空洞を密閉するカバーエレメントの一部である。これらの実施例においては，空洞は第１面及び第２面によって形成され，第１面は好適には，例えば隣接して配置された検出器素子の連続的な二次元配列によって形成され，第２面は好適にはカバーエレメントによって形成又は提供される。これらの準備によって検出器ユニット，すなわち複数の検出器素子の二次元配列は，結合媒質が入っている空洞の一部を形成する。したがって，結合媒質のための追加容器は必要なく，このことは手持ち式装置の最適実時間動作に不利に影響することなく，手持ち式装置の扱いを相当に容易にする。

カバーエレメントは機械的に可撓性のあるエレメント，特に膜又は薄膜であることが好ましい。カバーエレメントは，電磁放射の少なくとも一部に対して透明である。カバーエレメントの少なくとも一部は凸形状，特にクッション様の形状を有することが好ましい。特に，カバーエレメントは手持ち式装置の遠端に設けられる。さらに，カバーエレメントは，画像を対象体から取得するとき，カバーエレメントの少なくとも一部が対象体に接触するように，配置及び／又は設計されることが好ましい。活性検出面を囲い込むために透明膜が用いられ，膜内部の立体は，撮像された対象体に対する最適音響結合を容易にするように整合液（matching fluid），例えば水で満たされている。

これらの準備によって，カバーエレメントの領域における空洞の形状は調査下の対象体の任意の形状に容易に適応し，それによって検出器素子の二次元配列は，種々の形状をした対象体の上又は内部の関心領域に対して，それぞれ必要とされるように配置することができる。このようにして，確実かつ単純な方法で，動きに関係するか，及び／又は面外の歪を減少又は除去することができる。

カバーエレメントは，電磁放射，特に光の最適な伝達及び発生した音響波のために，対象体に，音響的かつ光学的に整合していることが好ましい。このことは，カバーエレメントと結合媒質との間だけでなく，カバーエレメントと対象体との間の境界における，光の反射又は音響波の反射による損失を，避けるか，又は最小化することに役立つ。

本発明の別の好適な実施例によれば，手持ち式装置は画像が対象体から取得される際に，好適には動かないか，実質的に静止した対象体に対して相対的に移動することができるように設計されることが望ましい。このようにして，対応する三次元画像を実時間で取得することによって対象体の種々の関心領域を追跡することができる。

本発明の更に好適な実施例においては，第１面の曲率，及び／又はサイズ，及び／又は撮像範囲角度は，対象体のサイズ及び／又は対象体内の関心領域のサイズに配置及び／又は依存する。代替として又は追加として，検出器素子のサイズ，及び／又は検出器素子の周波数応答，及び／又は検出器素子の形状，及び／又は検出器素子の検出感度，及び／又は検出器素子の方向性，及び／又は検出器素子の面に対する法線の方向は，関心領域の周囲の検出器素子の実効撮像範囲角度が最大化されるように選択されることが好ましい。これらの特徴又はパラメータのうち１又は複数は，関心領域の周囲の検出器素子の実効撮像範囲角度と，その検出帯域幅と，信号対雑音比とが最大化されるように選択されることが好ましい。

これによって，任意の種類の対象体，例えば，人体の大きな範囲又は小さな組織標本に対して，対象体の撮像された領域の周りの可能な限り広い立体角度範囲，すなわち，可能な限り広い角度範囲（投影）の検出器素子の二次元配列によって音響波が検出されることが確実になる。さらに，すべての素子からの検出光音響応答を増加させ，音響屈折及び表面不整合の影響を最小化するために，検出面の形状を最適化することによって，撮像領域に対する個々の検出素子の方向を最適化するか，上記の領域からの素子の距離を最小化することができる。

純粋な数学的断層画像再構成問題の観点からすると，実効的に全視点検出器問題に類似して，最良の画像品質と，空間解像度と，定量化能力とを達成するために，撮像領域の周りの可能な限り広い範囲で，可能な限り多い離散検出素子を有することが有利である。反対に，素子数を増加させることは相応にそのサイズを減少させ，次いで信号対雑音比性能に不利に影響し，ひいては画像ノイズを増加させ，その結果，撮像速度及び達成可能な撮像深度を減少させることになる。したがって，検出素子の総数は，画像品質及び撮像速度双方が，所与の対象体と，断層画像の形状と，特定応用の撮像要求条件（撮像速度，定量化，解像度，等）とに関して最適化されるように選択される。

さらに，照射ユニットは発光素子及び／又は光導波路，特にファイバ束を備え，光導波路は第１面に設けられた少なくとも一つの開口部を介して供給される。ファイバ束は検出配列の中心に配置された開口部又は穴に挿入されることが好ましい。これは，特に第１面が凹状又は球状をしているときに，撮像領域を実効的に照射する簡単な方法である。平坦又は凸状の検出面を有する実現例に関しては，より大きな立体を照明する必要があり，発光素子及び／又は光導波路が第１面内の複数の開口部に提供されることが特に有利である。

要約すると，上述の好適な実施例は球面（又は撮像される対象体の形状及びサイズに最適化された形状を有する面）上に分布した超音波センサの配列で音響波を検出することに関係し，この実施例は面外歪を著しく減少させ，同時に近等方性撮像解像度を達成することを支援する。素子の法線は湾曲，特に球の中心方向を向いているため，湾曲した配列上にあるすべての検出素子が，この領域に発生した光音響信号を効率的に収集する。撮像領域に対して素子を最適な方向に配置することによって，配列の実効撮像範囲角度もまた最大化され，したがって，限定視点再構成の影響及び面外歪が減少する。発生する光音響信号，特に著しい光減衰を被る深い組織部分からの信号の強度は通常非常に低く，個々の検出素子の検出感度については特別な注意を払う必要がある。例えば，圧電素子を用いて検出を行うときは，可能な限りよい信号対雑音比を保証するために素子のサイズを増加させる。

定量的光音響撮像に関して特に重要なことは，検出素子の実効周波数帯域幅である。ポリフッ化ビニリデン（ｐＶＤＦ）薄膜のような広帯域圧電技術を用いることによって，広帯域検出が容易になる。帯域幅を最大にするため，例えば，ファブリ・ペロー薄膜，ファイバブラッグ格子，環状又は球状共振器を用いて光音響応答の光検出を行うことが好ましい。光検出方法に関しては，例えば，対応する共振構造体の品質係数を向上させることによって，検出感度を更に向上させることができる。

さらに，検出器素子の二次元配列で提供される円筒状空洞に挿入されたファイバ束によって照明が行われる。超音波センサの高感度に対応する場所においてだけ，散乱光子が励起を起こす，横方向からの照明を有する線形配列とは異なり，この方法によって，撮像領域に伝えられる光エネルギが最大化される。

さらに，対応する好適な実施例を含む手持ち式の方法もまた，前臨床実験及び臨床測定を便利に処理できるようにするため，本発明の重要な態様である。好適な手持ち式装置は，撮像された対象体と結合媒質との直接の接触を避けつつ，超音波検出器素子に光音響的に発生した波を効率よく結合できるようにするため，透明膜を用いる。

手持ち式装置は，追加要求条件に関しても最適化可能である。例えば，多くの場合測定ヘッドは手で保持され，対象体に対して固定されないため，動き歪を避けるために画像は信号平均化なしに実時間で取得しなければならない（単パルス取得）。したがって，照明装置及び超音波検出器の配置が重要である。特に，最大検出感度及び超音波トランスジューサの適切な方向（最大断層撮像範囲）が，撮像領域で発生した光音響信号の効率的収集及び信号対雑音比性能を改善するために，信号平均化の必要のない実時間実行を保証することが必須である。

また多くの場合，対象体に完全な断層撮像的にアクセスすることはできないため，画像再構成は限定視点問題（対象体又は撮像領域の周りの限られた数の位置だけが利用可能である）の挑戦を受ける。本願発明の三次元取得及び再構成方法はこれらの問題に関係する画像歪もまた相当緩和し，画像をより定量的にし，例えば画像の形状，サイズ，光吸収及び分光特性に関して組織内の構造の正しい特性を特定することを支援する。

照射ユニットは，撮像される対象体内に光音響又は熱音響効果を誘起するために，種々の電磁放射を用いてもよい。これは，単パルスレーザと，マイクロ波及び無線周波（ＲＦ）帯域のパルス源と，強度変調された光又はＲＦ源とを含む。

別の特に好適な実施例においては，照射ユニット及び検出器ユニットを制御する制御ユニットが提供され，照射ユニットはパルス照明光で対象体を照明し，対象体の照明及び音響波の検出は，異なる波長の照明光で少なくとも２回反復される。追加又は代替として，検出器素子は，音響波がすべての検出器素子によって同時に検出されるように制御される。好適には，手持ち式装置は，対象体の三次元画像が，装置を対象体に対して移動させずに，各照射の後，すなわち実時間で形成されるように構成される。この技法は多スペクトル光音響断層撮像（ＭＳＯＴ）と呼ばれ，スペクトル依存の光吸収に基づいて，高空間解像度及び強いコントラストの独特の組合せを提供するため，生体組織の光音響撮像に非常に有利である。ＭＳＯＴは，複数の光波長で組織を励起することによって，解剖学的，機能的及び分子的造影画像を同時に生成することができる。したがって，照明波長が更に速く，確実に掃引されると，これらの実施例は対象体の実時間多スペクトル光音響画像の取得を可能にし，それによって，先例のない解剖学的，機能的及び分子的撮像機能による，生きた組織内の機能的及び分子的生物標識の高感度可視化が達成される。これは，立体（３Ｄ），時間解像（４Ｄ）及び空間強化（５Ｄ）データを同時に提供できる５Ｄ撮像システムを実効的に達成する。

本発明の更なる利点，特徴及び実施例は，次の図面に関する以降の説明から明らかになるであろう。

本発明による手持ち式装置の実施例の透視図である。 本発明による手持ち式装置の更なる実施例の断面図である。 撮像範囲角度を示すための，図２の実施例の断面図である。 複数の検出器素子の湾曲した二次元配列を有する，本発明による手持ち式装置の更なる実施例の平面投影図である。 近赤外における酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）及び脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）のモル吸光係数の分光特性を示す図である。

図１は，本発明による手持ち式装置１の実施例の透視図である。手持ち式装置１は第１面３が提供されている前側を有する本質的に円筒形又は円錐形本体２を備える。図示した実施例においては，第１面３は凹状の湾曲した面である。第１面３は，キャロットの面に対応する球状の面であることが好ましい。

第１面３の上に，複数の検出器素子４，特に超音波検出器が提供され，調査下の対象体（図示せず）から発せられる音響波，特に超音波を検出し，対応する検出器信号を発生する検出器素子４の二次元配列を形成している。

図１に示す例において，検出器素子４は小さな正方形の格子状配置によって概略的に示されている。しかし，個々の検出器素子はほかの形状，及び／又はサイズ，及び／又は方向を有してもよいことを理解されたい。例えば，検出器素子は長方形，略長方形，多角形，又は円形であってもよい。検出には圧電素子を用いることが望ましく，検出された信号の強度は，個々の検出器素子４のサイズを最大化し，検出器素子４の素子間隔を最小化することによって最適化，すなわち増加させることができる。

好適には，検出器素子４の総数，及び／又は形状，及び／又はサイズは，素子が第１面３全体を覆うか，少なくとも大部分，特に少なくとも７０％を覆うように選択される。検出器素子４は互いに隣接することが更に好ましい。これによって，第１面３又はその大部分が検出器素子４の二次元配置で形成，又は構成される。

対象体の上又は中の関心領域に対する検出器素子４の角対称性を維持するために，第１面３の中心線５の周りに素子４を対称に配置することが望ましい。特に，素子４は中心線５の周りの同心環上に配置される。

検出器素子４の二次元配列の中心，特に第１面３の中心線５の周りに開口部が提供され，該開口部には，光源，特にレーザ光源（図示せず）によって発生した光を手持ち式装置１に導き，調査下の対象体を光で照明するために，光導波路６，例えばファイバ束が配置される。好適には，撮像される対象体内の全関心立体がレーザパルスで照明される。

本発明のこの実施例においては，第１面３は湾曲した面であるが，本発明は湾曲面を有する手持ち式装置に限定されない。逆に，本発明の代替実施例においては，第１面３は本質的に平面であってよく，したがって，湾曲面上の検出器素子４の配置に関する上述の説明は，平面上の検出器素子４の配置にも同様に適用される。

図２は，本発明による手持ち式装置１の更なる実施例の断面図である。本体２，第１面３，検出器素子４及び光導波路６に関しては，図１に関する説明が同様に適用される。

本体２の前側に対応する手持ち式装置１の遠端にカバーエレメント７が提供され，これによって，検出器素子４を有する第１面３を含む本体２の前側が密閉されて，閉じた空洞８が形成される。空洞８は，対象体１０から発せられた音響波が面３の検出器素子４に音響的に結合するか，及び／又は光導波路６から放射される光を対象体１０に光学的に結合する結合媒質９で満たされる。結合媒質は，音響インピーダンス，及び／又は光学屈折率が，対象体１０と類似するように選択される。信号の反射及び損失を避けるために，結合媒質９は水であってもよいし，軟生物組織に近い音響インピーダンスを有する任意のほかの光学的に透明な媒質からなってもよい。

カバーエレメント７は機械的に可撓性のエレメント，例えば，光導波路８から発せられる光に対して透明な材料からなる膜，薄膜，又は薄片（ｆｏｉｌ）であってよい。カバーエレメント７は音響結合媒質９を囲い込み，光音響波の伝達を容易にし，一方，撮像される対象体１０が結合媒質に直接接触しないようにする。図示した実施例において，充てんされたカバーエレメント７は凸形状をしており，手持ち式装置１の空間的方向によらず，調査下の対象体１０の上に容易に置くことができる。例えば，手持ち式装置１の中間の任意の方向，特に傾斜した方向又は水平方向だけでなく，垂直下向き方向（図２），又は上向き方向双方で確実な画像取得が保証される。機械的可撓性及び結合媒質充てんによって，膜はクッション様の形状及び振舞を呈し，そのため，調査下の対象体の種々の表面形態に容易に適応する。

画像取得に際して，特に，対象体１０の上又は内部の種々の領域の撮像を可能にするため，手持ち式装置１は調査下の対象体１０に対して移動させてもよい。さらに，カバーエレメント７，特に膜は，音響結合を更に改善し，対象体１０の表面上の手持ち装置１の動きを容易にするため，超音波ゲルによって対象体１０の面に更に結合させてもよい。

第１面３の曲率，及び／又はサイズ，及び／又は撮像範囲角度は，調査下の対象体１０のサイズ，及び／又は対象体１０の上又は内部の関心領域のサイズに適応させられる。

本発明においては，「撮像範囲角度」（angular coverage）の用語は，対象体１０の領域から発せられる音響波が，手持ち装置１の検出器素子４の配列で検出される角度の範囲に関係する。

このことは図３に例として示されている。破線１２及び１３は第１面の周辺縁にある検出器素子４に直交しており，対象体１０内の関心領域ＲＯＩにある交点Ｍにおいて角度αで交差する。検出器素子４の配列の撮像範囲角度は角度αに対応し，この例においては約９０°である。この実施例において第１面３は球面であるため，交点Ｍは半径ｒの球の中心に対応する。

撮像範囲角度及び検出器素子４の配列が提供されている第１面３の曲率半径ｒは，特定の撮像応用に応じて異なってもよい。主な指針は，よりよいＳＮＲ（信号対雑音比）を得るために検出器素子４を撮像する立体にできる限り近く配置し，撮像する立体の周囲のできる限り多くの角度（すなわち，投影）から断層データを取得することである。例えば，小さな対象体，例えば，小動物又は組織標本の場合，第１面の曲率及び／又は撮像範囲角度は大きな対象体，例えば人体の場合に比べて大きいことが好ましく，後者においては第１面の曲率は小さいか，平面であってもよい。

例えば，撮像された対象体１０の体積が比較的小さいとき（例えば，１ｃｍ^３），励起レーザ光はこの領域に完全に侵入することができ，対象体を３６０°完全に囲う球面検出配列が好ましい。臨床撮像シナリオにおいては，明らかにより大きな体積が望まれるが，励起光はある面から実効的に数センチ侵入するに過ぎず，したがって，限定視点の取得だけが可能である。この場合，撮像深度は適切な撮像範囲角度及び配列の曲率半径を選択する際に重要な役割を果たす。表在性目標物に関しては，半球状の配列に沿って配置された検出器素子４によって，撮像範囲の周囲をほとんど１８０°囲うことが有利であり，かつ可能であるが，深部組織に関しては，配列の実効視野（すなわち，撮像範囲角度）は９０°以下に減じなければならない。

図４は，複数の検出器素子４の凹状２次元配列を有する手持ち装置の更なる実施例の底面透視図である。所与の例において，配列は９０°の撮像範囲角度を有する２５６個の検出器からなる。検出器素子４は中心線５の周りの五つの同心環上に配置される。個々の検出器素子４は，第１面３全体を覆うように配置され，及び／又は形成されることが好ましい。この図から明らかなように，検出器素子４は互いに隣接し，検出器素子４はそれぞれ，３以上の隣接検出器素子４に隣接する。検出器素子４の配列の中心の周りの円形開口部に，光導波路６が提供される。

検出器素子４のサイズに関しては，追加の考慮をする必要がある。圧電トランスジューサのような技術に基づく超音波検出器素子は，素子サイズが増加するにつれて指向性になる。このような素子が撮像対象体１０の極近傍に置かれたとき（図２参照），素子は撮像される立体内の小さな領域からの信号を検出するだけであり，取得される断層データの品質は低下する。対象体に対する検出器素子４の最小可能距離を必要とするＳＮＲの配慮も考慮しつつ，各検出器素子４が関心の立体全体からの音響波を検出するように，配列の形状を設計することが好ましい。

既に前述したとおり，生の光音響データ，すなわち音響波はすべての検出器から同時に収集され，実時間で画像を得るために処理される。画像再構成にはいくつかの既存のアルゴリズム，例えば逆投影アルゴリズムを用いることができる。

次に，新規な三次元モデルベースの方法を説明する。これは，本発明の手持ち装置又は方法で取得されたデータから吸収マップの正確な抽出に特に適している。外的に与えられた造影剤だけでなく，内在性の組織発色団（例えば，酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン）の濃度マップを提供するために，複数の波長で取得した画像のスペクトル当てはめ（fitting）が用いられる。

検出された音響波に対応する検出器信号からの画像再構成は，好適には，光吸収エネルギと，吸収係数と，撮像領域内の特定の発色団の濃度との分布を復元するステップから成る。

一般に，生の光音響信号は所与のレーザ波長λに関する光吸収分布関数Ｈ（ｒ，λ）に関係する。したがって，所与の位置ｒ及び時刻ｔに関する発生音圧ｐ（ｒ，ｔ）は，ポアソン型積分によってＨ（ｒ，λ）の関数として与えられる。

式１は分析的に導出され，光音響順問題を確立する。画像再構成は逆問題を解くこと，すなわち，複数の測定位置から取得された圧力波形ｐ（ｒ，ｔ）によってＨ（ｒ，λ）を推定することからなる。Ｈ（ｒ，λ）を計算するために，普通の逆投影近似分析公式を用いてもよい。離散形式では次のように与えられる。
ここでｒ_ｉはｉ番目の測定点，ｒ’_ｊは関心領域（ＲＯＩ）のｊ番目の点の位置，ｔ_ｉｊ＝｜ｒ_ｉ−ｒ’_ｊ｜／ｃである。式２は非常に高速な再構成戦略を確立し，手持ち走査処置の際に実時間で得られた画像を表示するのに適している。

しかし，逆投影公式を導出する際の近似は再構築画像の定量的な誤差になることがあり，このことは，発色団分布の正確なマップ及び血液酸素化レベルのようなほかの計量（ｍｅｔｒｉｃｓ）を決定するために特に重要である。

別の再構成方法はモデルベース逆変換（inversion）とも呼ばれ，式１の数値逆変換からなる。このために，式１は最初に，格子点からなるＲＯＩを考慮して離散化される。これによって，点ｒ_ｉ及び時刻ｔ_ｊにおける圧力は，格子点ｒ’_ｋにおける光吸収の線形結合によって次のように表すことができる。
ここで，Ｎは格子点の数である。Ｐ個のトランスジューサ位置とＩ個の時刻とを考慮して，式３は行列形式で次のように表すことができる。
ここでｐ及びＨはベクトル形式の圧力及び光吸収である。吸収されたエネルギはその後，種々のアルゴリズム，例えばモデル行列Ａを逆変換し，検出された圧力変動ｐのベクトルで乗じることによって式４から得ることができる。立体時間解像データ用に得られた行列のように非常に大規模なモデル行列の場合は，モデル行列のスパース性を用い，より高度なアルゴリズム，例えば正則化支援特異値分解（ＳＶＤ），ムーア・ペンローズ擬似逆変換，又は理論的圧力と測定圧力ｐ_ｍとの最小二乗差の最小化（式５），などを適用して，計算量を軽減してもよい。

項λ_Ｔは正則化パラメータであり，代表的（合理的）な解を得るために必要である。そして吸収された光エネルギの分布を得るために，例えばＬＳＱＲアルゴリズムによって式５を解くことができる。

大規模逆変換を扱う代替方法は，問題を，それぞれが対象体／画像内の別個の時空間解像度を表す複数のより小さな問題の組に分離することができる，ウェーブレット，ウェーブレットパケット又はカーブレットベースの方法のような，多解像度法を用いることである。

逆投影のような近似分析公式に対して正確なモデルベース再構成方法を用いることにはいくつかの利点がある。上述のように，第一に，分析的近似公式に伴う不正確さを避け，定量化性能を向上させる。第二に，複数の重要な実験的パラメータを，特定の検出形状，個々の検出素子の形状及びその周波数応答，撮像された対象体の上又は内部の光パターン，及び対象体内の音響不均質性のような数値モデルにシームレスに組み込むことを可能にする。次にこれは，定量化を向上させ，不正確なモデル化仮定による画像のぼけを避けることを支援する。第三に，再構成手続及び対応する撮像速度を非常に加速することができる上記の多解像度法の効率的な実現を可能にする。

機能及び分子撮像応用に関しては，機能的組織パラメータ（例えば血液酸素化レベル）を測定し，複数の波長で行われた光音響測定に基づいて，外因的に与えられた造影剤の分布を見いだすことも特別な関心事である。

例えば，生体組織における外因性光吸収は主に血液，すなわち酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）及び脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）によるものであり，これらの近赤外におけるモル吸光係数が図５に示されている。

波長λ_ｉ，ｉ＝１，・・・，ｎの集合に対する吸収光エネルギの分布（任意単位）は次のように与えられる。
ここで，ε_ｘ（λ_ｉ）及びＣ_ｘ（ｒ）はそれぞれ，モル吸光係数及びある発色団の濃度を表す。波長に対する光フルエンスφ（ｒ，λ_ｉ）の変動を無視する，最も簡易な仮定下では，式６は行列形式で次のように表すことができる。

酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンの濃度は，ｎ個の測定された波長で撮影された画像を最小二乗スペクトル当てはめによって決定することができる。これは次に示すムーア・ペンローズ擬似逆変換で行われる。

次に，酸素化レベルの分布ＳＯ_２（ｒ）は照明光フルエンスによってはもはや影響されず，次の式によって明示的に与えられる。

しかし，現実的な生体組織の高レベルの不均質性によって，上述の単純な仮定は画像の不正確さ及び定量化の欠如につながることがある。例えば，減衰による光フルエンスの空間的分散は，例えば，組織内の光伝ぱの数値モデル化，分析的補正関数，又は任意の光伝ぱモデルを使用せずに，代わりに光吸収係数からフルエンスをスパースに分解するブラインド補正法を用いることによって補償することが好ましい。ほかの複雑さは，組織内の種々の発光団のスペクトルについての正確な知識の欠如，又は対象体内のスペクトル依存光減衰から生じる。この場合，スペクトル依存減衰の影響を減少させるために，種々の波長で取得された画像間の比に基づく方法が適用される。さらに，種々の発色団の空間分布マップ及びそのスペクトル依存曲線双方を得るために，主成分分析（ＰＣＡ）及び独立成分分析（ＩＣＡ）のようなブラインドスペクトル法が用いられる。

１ 手持ち式装置
２ 本体
３ 第１面
４ 検出器素子
６ 光導波路
７ カバーエレメント
８ 空洞
９ 結合媒質
１０ 対象体

Claims (17)

1. 対象体（１０）の光音響撮像のための手持ち式装置（１）であって、
   電磁放射、特に光で前記対象体（１０）を照射する照射ユニット（６）と、
   電磁放射で照射したとき、前記対象体（１０）内で発生する音響波、特に超音波を検出する検出器ユニット（３、４）であって、複数の検出器素子（４）の二次元配列を含む検出器ユニットと、
   を備え、
   結合媒質（９）が入った空洞であって、該空洞は湾曲した第１面（３）上に格子状配置された前記検出器素子（４）の二次元配列によって形成され、前記検出器素子（４）の二次元配列によって形成される該空洞は閉じた空洞が形成されるようにカバーエレメント（７）によって密閉されている、空洞と、
   該照射ユニット（６）が、該対象体（１０）をパルス照明光で照明し，該対象体（１０）の照明及び音響波の検出が、異なる波長の該照明光で少なくとも２回反復されるように、該照射ユニット（６）及び該検出器ユニット（３、４）を制御するとともに、各照射の後に実時間で該対象体（１０）の三次元画像を形成することにより、該異なる波長のそれぞれにおける該対象体（１０）の時間解像三次元画像が得られるようにする、制御ユニットと、
   を特徴とする手持ち式装置。
2. 前記第１面（３）は凹面又は凸面である、請求項１に記載の手持ち式装置。
3. 前記検出器素子（４）は前記第１面（３）の大部分を覆う、請求項１又は２に記載の手持ち式装置。
4. 前記検出器素子（４）は互いに隣接して配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の手持ち式装置。
5. 前記検出器素子（４）は前記の特に湾曲した第１面（３）に沿って、同心環上に配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の手持ち式装置。
6. 前記空洞は前記検出器素子（４）が配置されている前記第１面（３）と、少なくとも一つの第２面とによって区切られている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の手持ち式装置。
7. 前記第２面は、前記空洞を密閉する前記カバーエレメント（７）の一部である、請求項６に記載の手持ち式装置。
8. 前記カバーエレメント（７）は機械的に可撓性のエレメント、特に膜又は薄膜である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の手持ち式装置。
9. 電磁放射、特に光と、前記発生した音響波との最適伝達のために、前記カバーエレメントは前記対象体（１０）と音響的及び光学的に適合する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の手持ち式装置。
10. 前記カバーエレメント（７）の少なくとも一部は凸状、特にクッション様の形状をしている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の手持ち式装置。
11. 前記カバーエレメント（７）は、画像を前記対象体（１０）から取得する際、前記カバーエレメント（７）の一部が前記対象体（１０）に接触するように配置及び／又は設計されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の手持ち式装置。
12. 前記手持ち式装置（１）は、画像を前記対象体（１０）から取得する際、前記の好適には静止した対象体（１０）に対して移動できるように設計されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の手持ち式装置。
13. 前記第１面（３）の曲率、及び／又はサイズ、及び／又は周波数応答は、前記対象体（１０）の表面の形状、及び／又は前記対象体（１０）のサイズ、及び／又は前記対象体（１０）内の関心領域に依存する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の手持ち式装置。
14. 前記検出器素子（４）のサイズ、及び／又は前記検出器素子（４）の周波数応答、及び／又は前記検出器素子（４）の形状、及び／又は前記検出器素子（４）の検出感度、及び／又は前記検出器素子（４）の表面に対する法線（１２、１３）の方向は、関心領域（ＲＯＩ）の周囲の前記検出器素子（４）の実効撮像範囲角度（α）が最大化されるように選択される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の手持ち式装置。
15. 前記照射ユニットは、発光素子、及び／又は前記第１面（３）に設けられた少なくとも一つの開口部を介して送り込まれる光導波路（６）、特にファイバ束を有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の手持ち式装置。
16. 前記対象体（１０）に対して前記手持ち式装置（１）を移動させることなく、各照明パルスの後、前記対象体（１０）の該三次元画像が実時間で形成されるようにした、請求項１に記載の手持ち式装置。
17. 対象体（１０）の光音響撮像の方法であって、
    電磁放射、特に光で前記対象体（１０）を照射するステップと、
    電磁放射で照射したとき、前記対象体（１０）内で発生する音響波、特に超音波を検出するステップであって、前記音響波は、複数の検出器素子（４）の二次元配列によって検出される、ステップと、
    を有し、
    空洞に結合媒質（９）を入れるステップであって、前記空洞は湾曲した第１面（３）上に格子状配置された前記検出器素子（４）の二次元配列によって形成され、前記検出器素子（４）の二次元配列によって形成される該空洞は閉じた空洞が形成されるようにカバーエレメント（７）によって密閉される、ステップと、
    該照射ユニット（６）が、該対象体（１０）をパルス照明光で照明し，該対象体（１０）の照明及び音響波の検出が、異なる波長の該照明光で少なくとも２回反復されるように、該照射ユニット（６）及び該検出器ユニット（３、４）を制御するとともに、各照射の後に実時間で該対象体（１０）の三次元画像を形成することにより、該異なる波長のそれぞれにおける該対象体（１０）の時間解像三次元画像が得られるようにする、ステップと、
    を特徴とする方法。